DE4015625C2 - Transistor mit Stromerfassungsfunktion, wobei der Stromerfassungswiderstand temperaturkompensiert ist - Google Patents

Transistor mit Stromerfassungsfunktion, wobei der Stromerfassungswiderstand temperaturkompensiert ist

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor zum Erfassen der Größe des Hauptstroms. Sie kann bei verschiedenen Arten von Transistoren verwendet werden, wie bei einem Bipolartransistor, einem solchen mit elektrostatischer Induktion (SI) oder einem Feldeffekt-Transistor.
Bei einem herkömmlichen System ist ein Leistungstransistor, durch den ein großer Laststrom fließen muß, mit einer Stromerfassungsfunktion versehen, die verhindert, daß er durch einen Überstrom beschädigt wird. Ein äußerer Widerstand ist dazu zwischen die Hauptelektroden, wie z. B. Emitter- und Source- Elektrode geschaltet, und der Spannungsabfall über dem Widerstand wird gemessen. Auf diese Weise wird die Größe des Hauptstroms erfaßt. Dieses Verfahren erfordert jedoch das Hinzufügen eines externen Widerstandes, wodurch ein Leistungsverlust verursacht wird.
Bei einer anderen herkömmlichen Auslegung ist ein mit einem Fühler-Transistor versehener Transistor mit einem Leistungstransistor unabhängig von dem Haupttransistor und mit dem Stromerfassungs-Emitteranschluß verbunden. Bei diesem System muß ein (nachstehend als Fühler-Widerstand bezeichneter) Widerstand innerhalb des Transistors angeordnet werden, um den Abfall der Fühlerspannung entsprechend dem durch den Fühler-Widerstand fließenden Strom zu erfassen. Materialien, wie z. B. Aluminium, polykristallines Silizium, ein Diffusionswiderstand werden z. B. für diesen Fühler-Widerstand benutzt.
Wenn diese Materialien verwendet werden, ändert sich der Wert des Fühler-Widerstandes mit der Temperatur, weil diese jeweils eigene Temperaturkoeffizienten haben. Daher ändert sich die Fühlerspannung ebenfalls mit der Temperatur.
Dieses Problem wird gelöst, wenn der Fühler-Widerstand von einer Temperaturänderung unabhängig gemacht wird.
In dem Artikel "Funktion und Anwendung von SENSEFETs" von Schultz, Warren in "der elektroniker", Nr. 12, 1988, Seiten 36 bis 45, wird ein Feldeffekttransistor gezeigt, der über die ursprünglichen Drain-, Source- und Gateanschlüsse hinaus einen Mirror- und einen Kelvinanschluß umfaßt. Zur Erfassung des durch das Transistorelement fließenden Hauptstromes kann dort ein Meßwiderstand entweder zwischen die Anschlüsse Mirror und Kelvin oder zwischen die Anschlüsse Mirror und Source geschaltet werden, wobei der durch den Transistor fließende Strom nicht linear mit dem an dem Meßwiderstand anliegenden Spannungsabfall sich ändert. Da der durch den Meßwiderstand fließende Strom wieder an das Transistorelement zurückgeführt wird, wird diese Messung auch als "verlustfreie Stromabtastung" bezeichnet.
Auch die EP 0 268 249 A2 und die DE 38 21 065 A1 zeigen verlustfreie Stromabtastungen. Dort wird jedoch jeweils ein eigener Meßtransistor verwendet, so daß dort eigentlich nicht der durch den Transistor fließende Hauptstrom, sondern der durch den Meßtransistor fließende Meßstrom verlustfrei erfaßt wird. Dabei ist in der DE 38 21 065 A1 eine Temperaturkompensation der Stromerfassungsmöglichkeit angedeutet, wobei ein Polysiliziumwiderstand verwendet wird.
Aus Tietze, U., Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik, Dritte Auflage, Fig. 13.24, Seite 400, ist ein Präzisionsnetzteil mit einstellbarer Strombegrenzung bekannt, das einen Transistorschaltkreis mit einem Transistor zum Ansteuern eines Verbrauchers und einen Stromerfassungswiderstand zum Erfassen eines durch den Transistor fließenden Hauptstroms umfaßt. Der Hauptstrom erzeugt in diesem Widerstand einen Spannungsabfall, der wiederum über zwei Verstärker zur Steuerung des zuvor genannten Transistors herangezogen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistor mit einer Stromerfassungsfunktion zu schaffen, bei dem eine hochpräzise Erfassung des durch den Transistor fließenden Hauptstromes ermöglicht wird, ohne daß Temperaturänderungen die Genauigkeit der Stromerfassung beeinflussen.
Diese Aufgabe wird durch einen Transistor mit Stromerfassungsfunktion mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Darstellung eines Elektrodenmusters mit Stromerfassungswiderstand bei einem herkömmlichen Transistor, der mit einer Stromerfassungsfunktion versehen ist,
Fig. 2 einen Schaltplan des Transistors,
Fig. 3 ein Blockschaltbild, in dem ein Beispiel für eine Überstromschutzschaltung dargestellt ist, die bei einem Transistor mit Stromerfassungswiderstand verwendet werden kann,
Fig. 4 einen Schaltplan, der die in Fig. 3 gezeigte Schaltung genauer wiedergibt,
Fig. 5 einen Schaltplan, der als erstes Beispiel die Auslegung des mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors darstellt,
Fig. 6 eine konstruktive Ausführung eines Fühler-Widerstands in einem mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor, bei der Anordnungen in der Ebene und im Schnitt zum Vergleich gezeigt sind,
Fig. 7 einen Schaltplan, der ein zweites Beispiel eines mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors wiedergibt,
Fig. 8 einen Schaltplan, der eine Darstellung des äquivalenten Schaltbildes eines mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors wiedergibt,
Fig. 9 einen Schaltplan, der ein drittes Beispiel eines mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors wiedergibt.
Fig. 1 zeigt das Elektrodenmuster eines herkömmlichen Transistors mit einer Stromerfassungsfunktion. Das Beispiel stellt einen bekannten bipolaren Transistor mit elektrostatischer Induktion in Multi-Emitter-Bauweise dar, dem eine Stromerfassungsfunktion hinzugefügt ist.
Bei diesem Beispiel ist eine Source-Elektrode S aus Aluminium hergestellt und weist Abschnitte auf, die wie die Zähne eines Kammes geformt sind, wie gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Source-Elektrode ist auf mehreren (nicht gezeigten) Source-Bereichen ausgebildet, die Seite an Seite auf der Oberfläche eines Mikrobausteins (Chip) angeordnet sind. Ähnlich ist eine aus Aluminium hergestellte und Abschnitte wie die Zähne eines Kammes aufweisende Gate-Elektrode G auf einem (nicht gezeigten) Gate-Bereich ausgebildet, der den Source-Bereich einschließt. Die wie die Zähne eines Kammes geformten Abschnitte der Source-Elektrode S sind abwechselnd mit den wie die Zähne eines Kammes geformten Abschnitten der Gate-Elektrode G verzahnt. Eine in Fig. 1 nicht gezeigte Drain- Elektrode D ist über die gesamte Unterseite (bzw. den Drain-Bereich) des Bausteins ausgebildet.
Ein Stromerfassungsanschluß S₁ ist am vorderen Ende eines der zahnähnlichen Abschnitte Sa der Source-Elektrode S und ein weiterer Stromerfassungsanschluß S₂ an der Basis eines weiteren zahnähnlichen Abschnitts Sb angeordnet, der von dem Elektrodenabschnitt Sa getrennt ist. Dieser (schraffierte) Abschnitt der Source-Elektrode S, der sich zwischen den beiden Anschlüssen S₁ und S₂ erstreckt, wird als Widerstand RS verwendet.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Schaltplan eines in der vorstehend beschriebenen Weise ausgelegten Transistors. Hierbei ist der Transistor ein n-Kanaltyp mit elektrostatischer Induktion.
Bei dem in vorstehender Weise ausgelegten Transistor fließt der Drain-Strom ID durch die Drain-Elektrode D, während ein (dem Drain-Strom ID entsprechender) Source-Strom IS durch die Source-Elektrode S fließt, der durch die Gate-Elektrode G gesteuert wird. Der Strom (bzw. Erfassungsstrom) ISS fließt dabei durch den Stromerfassungs-Widerstand bzw. Fühler-Widerstand RS, der einen Teil der Source-Elektrode S bildet, von dem Anschluß S₁ zu dem Anschluß S₂. Wenn der durch den Widerstand RS verursachte Spannungsabfall bzw. die Spannung VSS zwischen den Anschlüssen S₁ und S₂ gemessen wird, kann somit die Größe des Hauptstroms (bzw. des Source-Stroms IS) erfaßt werden.
Gemäß diesem Beispiel des Transistors kann eine Stromerfassung dadurch erreicht werden, daß der Spannungsabfall an der Widerstandskomponente erfaßt wird, die an der Source-Elektrode S vorliegt, wie vorstehend beschrieben. Hierdurch erübrigt es sich, dem Transistor einen äußeren Widerstand hinzuzufügen. Ferner wird der Stromverlust beim Erfassen des Stroms zu "0".
Wenn der Anschluß S₁ an dem vorderen Ende des Elektrodenabschnitts Sa und der Anschluß S₂ an der Basis des anderen Elektrodenabschnitts Sb wie bei diesem Beispiel angeordnet ist, fließt ein Strom zum Anschluß S₂ nicht nur von dem Elektrodenabschnitt Sa, sondern auch von den zwischen den Elektrodenabschnitten Sa und Sb liegenden Elektrodenabschnitten, und ein Spannungsabfall an all diesen Elektrodenabschnitten kann als Spannungsabfall über dem Widerstand RS erfaßt werden. Mit anderen Worten, der Spannungsabfall kann als eine Spannung erfaßt werden, die so hoch ist, daß sie von Rauschen nicht beeinflußt wird. Selbst wenn das Material der Source-Elektrode S Aluminium ist, das einen niedrigen spezifischen Widerstand besitzt, kann z. B. der Widerstand etwa 0,1 Ohm betragen, wenn die Breite w und Länge l jedes Elektrodenabschnitts geeignet festgelegt werden, die einen Teil der Source-Elektrode S bilden. Falls ein Source-Strom von mehreren 10 A fließen darf, kann daher ein Spannungsabfall von ungefähr 100 mV mit dem Widerstand RS erfaßt werden.
Fig. 3 stellt ein Blockschaltbild dar, das ein Beispiel einer Überstrom-Schutzschaltung eines Transistors T zeigt. Der Transistor T ist mit einer Stromerfassungsfunktion versehen, wie vorstehend beschrieben. Fig. 4 zeigt die Schaltung gemäß Fig. 3 genauer.
Gemäß Fig. 3 ist die Drain-Elektrode D des Transistors T mit der Plus-Seite der Gleichspannungsversorgungsquelle 2 über einen Lastwiderstand bzw. Verbraucher 1 und seine Source-Elektrode S mit der Minus-Seite der Gleichspannungsversorgungsquelle 2 über einen gemeinsamen Anschluß 3 verbunden. Ferner ist der Aufbau derart, daß der Gate-Strom IG von einer Transistortreiberschaltung 4 zu der Gate-Elektrode G fließt.
An beiden Enden des Stromerfassungs-Widerstandes RS des Transistors T abgegriffene Spannungen werden an einen Gleichspannungsverstärker 5 angelegt, von dem die Spannungsdifferenz verstärkt wird. Die so erhaltene Spannung wird dann an eine logische Steuerschaltung 7 zusammen mit der Bezugsspannung VREF einer Bezugsspannungsquelle 6 angelegt. Eine aus der Ermittlung der logischen Steuerschaltung 7 resultierende Spannung wird als Steuereingangssignal der Transistortreiberschaltung 4 zugeführt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist der Gleichspannungsverstärker 5 ein Operationsverstärker mit einer einzigen Spannungsquelle, die Steuerschaltung 7 ein Vergleicher mit offenem Kollektorausgang; die Bezugspannungsquelle 6 weist eine Zenerdiode, Widerstandselemente und Kondensatoren auf. Die Transistortreiberschaltung 4 umfaßt eine Verstärkerschaltung mit einem Transistor Q₁ und eine Stromspiegelschaltung mit Transistoren Q₂ und Q₃.
Nachstehend wird die Arbeitsweise dieser Überstrom-Schutzschaltung beschrieben.
Wenn ein Treibersignal an einen Treibereingangsanschluß d der Transistortreiberschaltung 4 angelegt wird, führt die Transistortreiberschaltung 4 der Gate-Elektrode G des Transistors T einen Gate-Strom IG zu. Hierdurch wird der Transistor T leitend, so daß ein (dem Drain-Strom ID entsprechender) Source-Strom IS durch den Lastwiderstand 1 fließt. Hierbei fließt ein Erfassungsstrom bzw. Fühlerstrom ISS, der einen Teil des Source-Stroms IS bildet, zu dem Stromerfassungs-Widerstand RS. Dadurch wird eine der Größe des Source-Stroms IS entsprechende Spannung zwischen den beiden Enden des Widerstandes RS erzeugt und proportional verstärkt.
Die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers 5 wird an die Steuerschaltung 7 angelegt und an dieser mit der Bezugsspannung VREF verglichen. Wenn der Lastwiderstand bzw. Verbraucher 1 kurzgeschlossen ist, wodurch der Source-Strom IS überhöht und die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers 5 größer als die Bezugsspannung VREF wird, führt die Steuerschaltung 7 einem Steueranschluß 5 der Transistortreiberschaltung 4 ein Steuersignal zu. Dadurch erniedrigt die Transistortreiberschaltung 4 den dem Transistor T zugeführten Gate-Strom IG, so daß der (dem Drain-Strom ID entsprechende) Source-Strom IS herabgesetzt wird. Diese negative Rückkopplungsschleife schützt den Transistor T, den Lastwiderstand bzw. Verbraucher 1 und die Gleichspannungsversorgung 2 vor einem Überstrom.
Die Stromerfassungsanschlüsse S₁ und S₂ müssen nicht in der in Fig. 1 gezeigten Weise angeordnet sein. Sie können an einer beliebigen Stelle angeordnet sein, falls an dem Widerstand RS ein Spannungsabfall erzeugt werden kann, der groß genug ist, den Strom zu erfassen.
Obwohl ein Transistor mit elektrostatischer Induktion des n-Kanaltyps in Fig. 2 gezeigt ist, kann der Transistor auch vom p-Kanaltyp sein. Ferner kann die Stromerfassung auch bei einem bipolaren Transistor oder einem Feldeffekt-Transistor angewandt werden.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors.
Der mit einer Stromerfassungsfunktion versehene Transistor Tr weist einen Haupttransistorabschnitt, durch den ein Hauptstrom fließt, und einen Fühler-Transistorabschnitt zum Erfassen eines durch den Haupttransistorabschnitt fließenden Stroms auf. Kollektor und Basis beider Transistorabschnitte sind wie üblich miteinander verbunden und erstrecken sich getrennt auf die Außenseite des Transistorbausteins bzw. -gehäuses, wie durch eine unterbrochene Linie dargestellt. Ein Emitter bzw. der Hauptemitter des Haupttransistorabschnitts erstreckt sich ebenfalls auf die Außenseite des Transistorgehäuses (s. Anschlußklemme E), wie es bei Kollektor und Basis entsprechend der Fall ist.
Der Fühler-Widerstand weist in Serie geschaltete Widerstände RS1 und RS2 auf. Der Widerstand RS1 hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, während der Widerstand RS2 einen negativen Temperaturkoeffizienten hat. Ein Ende des Fühler-Widerstandes ist mit dem Emitter oder Fühler-Emitter des Fühler-Transistorabschnitts verbunden, während das andere Ende mit dem Hauptemitter verbunden ist. Die Verbindung des Fühler-Emitters mit dem Fühler-Widerstand RS1 erstreckt sich auf die Außenseite des Transistors Tr als Anschluß S₁ der Fühlerspannungs-Erfassungsanschlüsse, während die Verbindung des Hauptemitters mit dem Fühler-Widerstand RS2 sich auf die Außenseite des Transistors Tr als dessen anderer Anschluß S₂ erstreckt. Bei diesem Beispiel hat der Widerstand RS1 einen positiven Temperaturkoeffizienten, während der Widerstand RS2 einen negativen Temperaturkoeffizienten hat; die gleiche Funktion könnte jedoch auch erfüllt werden, wenn der Widerstand RS1 einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, während der Widerstand RS2 einen positiven Temperaturkoeffizienten hat.
Nachfolgend werden die Bedingungen beschrieben, unter denen die Reihenschaltung der Widerstandselemente des Stromerfassungswiderstandes unabhängig von einer Temperaturänderung zuverlässig stabil den Laststrom anzeigen.
Wenn die Fühler-Widerstände durch RS0 dargestellt werden, gilt
RS0 = RS1 + RS2 (1).
Berücksichtigt man die Temperaturänderung, so kann Gleichung (1) ausgedrückt werden durch
RS0 = RS1 (1+αK1ΔT) + RS2 (1+αK2ΔT) (2),
in der αK1 einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands RS1 (αK1 < 0), αK2 einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes RS2 (αK2 < 0) und ΔT den Wert der Temperaturänderung darstellen.
Der Ausdruck für die Temperaturänderung in Gleichung (2) soll "0" werden, um die Fühler-Widerstände RS0 von der Temperatur unbeeinflußt zu halten. Daraus folgt
αK1 · ΔT · RS1 + αK2 · ΔT · RS2 = 0 (3).
Die Gleichungen (1) und (3) stellen die Bedingungen dar, unter denen der kombinierte Widerstand der Fühler-Widerstände unabhängig von einer Temperaturänderung wird. Wenn die Temperaturkoeffizienten αK1, αK2 und die Widerstände RS1, RS2 so eingestellt werden, daß sie Gleichung (3) erfüllen, werden daher die Fühler-Widerstände von einer Temperaturänderung nicht beeinflußt.
Fig. 6 zeigt Ansichten des mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors in der Ebene und im Schnitt, um ein konstruktives Beispiel der Fühler-Widerstände zu beschreiben.
Eine Schicht aus polykristallinem Silizium (das einen negativen Temperaturkoeffizienten hat) ist auf der Oberfläche eines Siliziumoxid-(SiO₂-)Substrats ausgebildet, während eine Schicht aus Aluminium (das einen positiven Temperaturkoeffizienten hat) in einigen erforderlichen Bereichen auf der Schicht des polykristallinen Siliziums (Poly-Si) ausgebildet ist. Eine Elektrode 11 und eine weitere Elektrode 12, die einen Widerstandsbereich 12a besitzt, sind auf der Aluminiumschicht (Al) ausgebildet. Ein Streifen aus polykristallinem Silizium 13 ist zwischen den Elektroden 11 und 12 angeordnet.
Ein Bereich bzw. eine Einbettung 14, die sich zu dem Fühler-Emitter und dem Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S₁ erstreckt, ist an die Elektrode 11 angeschlossen. Ein von dem Bereich 14 fließender Strom durchfließt die Elektrode 11, den Streifen 13 und die Elektrode 12 und gelangt zu einem Bereich bzw. einer Einbettung 15, zu der sich der Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S₂ erstreckt, über den Widerstandsbereich 12a.
Die Elektroden 11 und 12 sind insgesamt aus Aluminium gefertigt und besitzen zusammen mit dem Widerstandsbereich 12a die Funktion eines Widerstandes RS1, während der Streifen aus polykristallinem Silizium 13 die Funktion des Widerstandes RS2 besitzt. In diesem Beispiel ist die Erfindung bei einem bipolaren Transistor angewandt, sie kann aber auch bei einem Feldeffekt-Transistor, einem Transistor mit elektrostatischer Induktion angewendet werden; es ist bekannt, daß dabei der Kollektor dem Drain, der Emitter der Source und die Basis dem Gate entsprechen.
Fig. 7 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel eines mit einer erfindungsgemäßen Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors.
Ein mit einer Stromerfassungsfunktion versehener Transistor Tr weist dabei einen Haupttransistorabschnitt, durch den ein Hauptstrom fließt, und einen Fühler-Transistorabschnitt zum Erfassen eines durch den Haupttransistorabschnitt fließenden Stroms auf. Der Kollektor und die Basis beider Transistorabschnitte sind in herkömmlicher Weise verbunden und erstrecken sich getrennt auf die Außenseite des Transistors, der von einer unterbrochenen Linie umschlossen ist. Der Emitter bzw. Hauptemitter des Haupttransistorabschnitts erstreckt sich ebenfalls auf die Außenseite des Transistors Tr, wie es bei dem Kollektor und der Basis der Fall ist.
Ein Emitter bzw. Fühleremitter des Fühlertransistorabschnitts ist mit dem Hauptemitter über einen Fühler-Widerstand RSA verbunden, dessen Temperaturkoeffizient durch Kompensation zu "0" gemacht ist, und ein Widerstand RT, der einen geeigneten Temperaturkoeffizienten hat, um das Verhältnis des Hauptstroms und des Fühler-Stroms (der zu dem Fühler-Transistorabschnitt fließt) bei Temperaturänderung konstant zu machen. Die Verbindung des Fühler-Emitters mit dem Fühler-Widerstand RSA erstreckt sich auf die Außenseite des Transistors Tr als ein Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S₁, während die Verbindung des anderen Fühler-Widerstandes RSA mit dem Widerstand RT sich auf die Außenseite des Transistors Tr als der andere Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S₂ erstreckt.
Bei diesem Beispiel sind der Fühler-Widerstand RSA und der Widerstand RT auf einem Silizium-Substrat als eine Kombination aus dem Widerstand der (einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden) Aluminium-Elektrode, die zusammen mit dem Transistorabschnitt gebildet ist, und dem Diffusionswiderstand aus (einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden) polykristallinem Silizium gebildet, das durch Diffusion aufgebracht ist.
Nachfolgend wird für diese gegenüber der Fig. 5 abgewandelten Schaltung die Bedingung beschrieben, bei der das Verhältnis von Haupt- und Fühlerstrom bei einer Temperaturänderung konstant bleibt.
Fig. 8 zeigt ein äquivalentes bzw. Ersatzschaltbild des mit der Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors Tr.
Fig. 8 zeigt den Widerstand im eingeschalteten Zustand des Transistors mit Ein-Widerstand RCE/m zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Hauptwiderstandabschnitts und einen Ein-Widerstand RCE/n zwischen dem Kollektor und dem Fühler-Emitter des Fühler-Transistorabschnitts. Der Widerstand RT und der Fühler-Widerstand RSA sind in Reihe mit dem Ein-Widerstand zwischen dem Kollektor und dem Fühler-Emitter und dann mit dem Haupt-Emitter verbunden. Das Verhältnis zwischen dem durch den Fühler-Transistorabschnitt fließenden Strom ISS und dem durch den Haupttransistorabschnitt fließenden Strom IE kann ausgedrückt werden als:
ISS/IE = {(1 + αKΔT) RCE/m} / {(1 + αKΔT) RCE/n + RSA + (1 + αTΔT) RT}
= {RCE/m} / {RCE/n} + {RSA + (1+αTΔT) RT} / (1+αKΔT) (4),
worin αK den Temperaturkoeffizienten des Ein-Widerstandes RCE des Bauelementes angibt, das den mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor Tr bildet, αT den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes RT, ΔT die Temperaturänderung und m und n positive ganze Zahlen darstellen.
Wenn das Verhältnis durch eine Temperaturänderung nicht beeinflußt werden soll, wird ΔT "0". Wenn ΔT in Gleichung (4) durch "0" ersetzt wird, ergibt sich
ISS/IE = {RCE/m} / {RCE/n + RSA + RT} (5).
Die Bedingung, unter der das Verhältnis der Ströme ISS und IE mit der Temperaturänderung konstant bleibt, ergibt sich aus den Gleichungen (4) und (5) als:
Aus Gleichung (6) folgt:
Gleichung (7) beschreibt die Bedingung, unter der das Verhältnis der Ströme ISS und IE konstant bleibt. Wenn der durch Gleichung (7) gegebene Temperatur-Kompensations-Widerstand RT dem Fühler-Emitter hinzugefügt wird, bleibt folglich das Verhältnis aus den Strömen ISS und IE konstant. Hierdurch kann eine Drift der Fühlerspannung VSS infolge einer Temperaturänderung verhindert werden.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Beispiel eines mit einer erfindungsgemäßen Temperaturerfassungsfunktion versehenen Transistors mit noch anderer Verschaltung.
Ein Kollektor C, eine Basis B und ein Hauptemitter E des mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors TR sind gemäß Fig. 1 angeordnet. Der Fühleremitter erstreckt sich als Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S auf die Außenseite des Transistors TR über den Widerstand RT, der einen passenden Temperaturkoeffizienten hat, um das Verhältnis von Haupt- und Fühlerstrom bei Temperaturänderung konstant zu machen. Ein Fühlerwiderstand RSA mit einem Temperaturkoeffizienten "0" ist zwischen dem Fühlerspannungs-Erfassungsanschluß S und dem Hauptemitter E auf der Außenseite des Transistors TR angeordnet. Auch bei diesem mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor TR mit vorstehend beschriebener Auslegung kann eine Fühlerspannung VSS, die von einer Temperaturänderung kaum beeinflußt ist, an beiden Enden des Fühlerwiderstandes RSA erhalten werden, wie es bei dem in Fig. 7 gezeigten Transistor der Fall ist. Obwohl die Erfindung in diesem Fall bei einem bipolaren Transistor angewandt worden ist, kann sie auch bei dem Feldeffekt-Transistor, einem Transistor mit elektrostatischer Induktion (SIT) angewandt werden. Es ist bekannt, daß in diesem Fall der Kollektor als Drain, der Emitter als Source und die Basis als Gate anzusehen sind.
Wie vorstehend beschrieben, wird wiederum der Hauptstrom aus dem Spannungsabfall an der Widerstandskomponente bestimmt, die an der Elektrodenverdrahtung vorliegt. Dadurch wird ein Transistor mit einer Stromerfassungsfunktion erhalten, durch die es sich erübrigt, dem Transistor einen äußeren Widerstand hinzuzufügen und durch die ein Leistungsverlust vermieden werden kann.
Da der Fühler-Widerstand temperaturkompensiert ist, ändert er sich außerdem kaum mit der Temperatur. Dadurch wird die Herstellung eines mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistors möglich, der die Fähigkeit besitzt, eine Fühlerspannung zu erhalten, die der Größe des Hauptstroms genau entspricht. Wenn in dem Haupttransistorabschnitt ein Überstrom fließt, kann dieser somit genau erfaßt werden.
Die Erfindung schafft somit einen mit einer Stromerfassungsfunktion versehenen Transistor, der keinen externen Widerstand zur Stromerfassung benötigt, sondern einen von dem Hauptstrom durchflossenen Teil der Elektrodenverdrahtung bzw. des Elektrodenanschlusses als Widerstand benutzt, so daß ein Leistungsverbrauch verhindert wird. Die Größe des Hauptstroms wird auf der Basis des durch den Widerstand verursachten Spannungsabfalls erfaßt, wobei eine Temperaturkompensation vorgenommen wird.

Claims (15)

1. Transistor mit Stromerfassungsfunktion zum Ansteuern eines Verbrauchers
mit einem Stromerfassungs-Widerstand (RS) zum Erfassen eines durch den Transistor fließenden Hauptstromes,
wobei der Stromerfassungs-Widerstand an einer Mehrfachelektrode des Transistors angeordnet ist, die zumindest von einem Teil des Laststromes durchflossen wird und
wobei die Widerstandselemente (RS1, RS2; RSA, RT) des Stromerfassungs- Widerstandes in Reihe geschaltet sind und einander entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten aufweisen.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (TR) einen n-Kanaltyp mit elektrostatischer Induktion darstellt.
3. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (TR) einen p-Kanaltyp mit elektrostatischer Induktion darstellt.
4. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (TR) einen Bipolartransistor darstellt.
5. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (TR) einen Feldeffekt-Transistor darstellt.
6. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromerfassungs-Widerstand (RS; RS1, RS2; RSA; RT) ein Teil eines aus Aluminium hergestellten Elektrodenanschlußmusters ist.
7. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromerfassungs-Widerstand (RS; RS1, RS2; RSA, RT) einen Teil eines aus polykristallinem Silizium hergestellten Elektrodenanschlußmusters bildet.
8. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch
einen Schaltkreis mit einem Gleichspannungsverstärker (5) zum Verstärken einer Spannung zwischen beiden Enden (S₁, S₂) des Stromerfassungs- Widerstandes,
einer logischen Steuerschaltung (7) zum Vergleichen einer von dem Gleichspannungsverstärker gebildeten Spannung mit einer Bezugsspannung (VREF) und zum Entscheiden, welche der Spannungen höher ist, und
einer Transistortreiberschaltung (4) zum Empfangen eines Steuersignals von der logischen Steuerschaltung, wenn die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers höher ist als die Bezugsspannung, wobei der dem Gateanschluß bzw. der Basis zugeführte Steuer-Strom durch die Transistortreiberschaltung (4) herabgesetzt wird.
9. Transistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsverstärker (5) einen Operationsverstärker und die Entscheidungs-Steuerschaltung (7) einen Vergleicher mit offenem Kollektorausgang umfassen und daß die Transistortreiberschaltung (4) eine Verstärkerschaltung mit einem Transistor (Q₁) und eine Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren (Q₂, Q₃) aufweist.
10. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente des Stromerfassungs-Widerstandes in Reihe mit dem Emitter (E) bzw. der Source des Transistors (Tr) geschaltet sind und innerhalb des Transistors liegen.
11. Transistor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (RS1) mit positivem Temperaturkoeffizienten von einem Elektrodenanschlußmuster aus Aluminium und das Widerstandselement (RS2) mit negativem Temperaturkoeffizienten von einem Elektrodenanschlußmuster aus polykristallinem Silizium gebildet werden.
12. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Temperaturkompensationsvorrichtung mit einem ersten Widerstandselement (RSA), das einen zum Konstanthalten des Verhältnisses aus einem Haupt- und einem Fühlerstrom unabhängig von einer Temperaturänderung geeignetem Temperaturkoeffizienten besitzt und an den Emitter bzw. der Source des Transistors angeschlossen ist, und mit einem anderen Widerstandselement (RT), das eine passende Temperaturcharakteristik besitzt und in Reihe mit dem ersten Widerstandselement geschaltet ist.
13. Transistor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Widerstandselement (RSA), das einen zum Konstanthalten des Verhältnisses aus Haupt- und Fühlerstrom unabhängig von einer Temperaturänderung geeigneten Temperaturkoeffizienten hat, als Kombination aus Aluminium und polykristallinem Silizium gebildet ist, und daß das an das erste Widerstandselement angeschlossene andere Widerstandselement (RT) als Kombination aus Aluminium und polykristallinem Silizium derart gebildet ist, daß ihr kombinierter Widerstands-Temperaturkoeffizient "0" wird.
14. Transistorschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß des Transistors (TR) derart aus Aluminium und polykristallinem Silizium gebildet ist, daß dessen Temperaturkoeffizient geeignet ist, das Verhältnis aus Haupt- und Fühlerstrom bei einer Temperaturänderung konstant zu halten, und an den Emitter bzw. die Source eines Fühler- Transistors angeschlossen ist sowie innerhalb des Transistors liegt.
15. Transistorschaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher ein Gleichstrommotor zum Antreiben eines Gabelstaplers ist.
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